CN109374694A - 一种多通道手持式电化学仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多通道手持式电化学仪，包括多个传感器检测接口、电源模块、数模转换电路、恒电位电路、电流/电压转换放大电路、采样电路、滤波电路、微控制器和数据传输模块，其中传感器检测接口用于安装三电极传感器，所述微控制器经数模转换电路和恒电位电路连接传感器，所述传感器经电流/电压转换放大电路、滤波电路和采样电路连接微控制器，所述控制电路还与数据传输模块连接；所述微控制器产生扫描电压，经过数模转换和恒定控制后驱动传感器工作；所述传感器同时产生多路电流，经电流/电压转化、放大、滤波和采样后传输给控制电路计算传感器检测浓度值，所述数据传输模块将计算的浓度值传输给云端。

Description

一种多通道手持式电化学仪
技术领域
本发明涉及一种电化学仪，具体涉及一种多通道手持式电化学仪。
背景技术
电化学分析仪是是电化学分析、研究和教学的理想工具，可广泛应用于环 境、能源、材料、生物、制药及冶金等各领域。传统的电化学仪体积较大，不易 实现线程检测，且无法直接得到传感器浓度值，只是单一的给出传感器的电流值， 非常不适于现场检测。现有的手持式电化学仪虽然有些体积小，但是由于恒电位 电路处设计的不完善，检测精度明显不够。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多通道手持式电化学仪，可以实现极小误差的多 通道同时检测。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种多通道手持式电化学仪，包括多个 传感器检测接口、电源模块、数模转换电路、恒电位电路、电流/电压转换放大 电路、采样电路、滤波电路、微控制器和数据传输模块，其中传感器检测接口用 于安装三电极传感器，所述微控制器经数模转换电路和恒电位电路连接传感器， 所述传感器经电流/电压转换放大电路、滤波电路和采样电路连接微控制器，所 述控制电路还与数据传输模块连接；所述微控制器产生扫描电压，经过数模转换 和恒定控制后驱动传感器工作；所述传感器同时产生多路电流，经电流/电压转 化、放大、滤波和采样后传输给控制电路计算传感器检测浓度值，所述数据传输 模块将计算的浓度值传输给云端。
作为一种优选实施方式，所述传感器接口为USB母口。
作为一种优选实施方式，所述电源模块提供3.3V电压和5V电压，3.3V电 压用于为微控制器供电，5V电压用于为传感器检测接口、数模转换电路、恒电 位电路、电流/电压转换放大电路、采样电路、滤波电路和数据传输模块供电。
作为一种优选实施方式，所述恒电位电路包括第一级运算放大器、第二级运 算放大器、第三级运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和电 容，其中第一级运算放大器的正向输入端接收来自数模转换电路的控制电位，负 向输入端与输出端相连，并且通过第一电阻与第二级运算放大器的负向输入端相 连；第二级运算放大器的正向输入端连入参考电压，负向输入端一方面通过第二 电阻与第三级运算放大器的输出端相连，另一方面通过电容与第二级运算放大器 的输出端相连，输出端通过第三电阻与传感器的辅助电极相连，同时第三电阻通 过第四电阻接地；第三级运算放大器的正向输入端与传感器的参比电极相连，负 向输入端与输出端相连。
作为一种优选实施方式，所述电流/电压转换放大电路包括第四运算放大器， 第五电阻和第二电容，第四运算放大器的正向输入端连接参考电压，负向输入端 与传感器的工作电极相连，负向输入端又通过四五电阻与输出端相连，且第五电 阻两端并联第二电容，输出端连接采样电路。
作为一种优选实施方式，所述滤波电路包括第五运算放大器、第六运算放 大器和第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第三电容、第四电容和第五 电容，其中第五运算放大器的负相输入端通过第三电容和第六电阻连接到采样电 路，正向输入端通过第七电阻连接到第三电容和第六电阻中间，并通过第四电容 连地，输出端与负向输入端相连，通过第八电阻连接到采样电路，通过第八电阻 和第五电容与采样电路相连；第六运算放大器的正向输入端与采样电路相连，负 向输入端与输出端相连，输出端通过第九电阻与采样电路相连，构成3阶巴特沃 兹低通滤波电路。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明不仅解决了传统电化学仪体 积大，不易携带的问题，又改善了现有手持式电化学仪的精度问题，并且可以实 现极小误差的多通道同时检测。
附图说明
图1为本发明多通道手持式电化学仪的结构示意图。
图2为本发明检测电路的电路图。
图3为本发明传感器的构建过程图。
图4为本发明无样本和1mg/L样本的循环伏安法扫描图。
图5为本发明不同浓度样本(1mg/L，100μg/L，10μg/L，1μg/L和0μg/L) 时间电流法扫描图。
图6为本发明待检测安培电流量与样本浓度对数值曲线的标定图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明方案。
如图1所示，多通道手持式电化学仪，包括多个传感器检测接口、电源模 块、数模转换电路、恒电位电路、电流/电压转换放大电路、采样电路、滤波电 路、微控制器和数据传输模块，其中传感器检测接口用于安装三电极传感器，所 述微控制器经数模转换电路和恒电位电路连接传感器，所述传感器经电流/电压 转换放大电路、滤波电路和采样电路连接微控制器，所述控制电路还与数据传输 模块连接；所述微控制器产生扫描电压，经过数模转换和恒定控制后驱动传感器 工作；所述传感器同时产生多路电流，经电流/电压转化、放大、滤波和采样后 传输给控制电路计算传感器检测浓度值，所述数据传输模块将计算的浓度值传输 给云端。
所述恒电位电路、电流/电压转换放大电路、采样电路和滤波电路构成检测 电路，如图2所示。下面详细介绍一些重要模块，所述恒电位电路包括第一级运 算放大器U1(A)、第二级运算放大器U1(B)、第三级运算放大器U1(C)、第 一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和电容，其中第一级运算放大器U1(A) 的正向输入端接收来自数模转换电路的控制电位，负向输入端与输出端相连，并 且通过第一电阻与第二级运算放大器U1(B)的负向输入端相连；第二级运算 放大器U1(B)的正向输入端连入参考电压，负向输入端一方面通过第二电阻 与第三级运算放大器U1(C)的输出端相连，另一方面通过电容与第二级运算 放大器U1(B)的输出端相连，输出端通过第三电阻与传感器的辅助电极相连， 同时第三电阻通过第四电阻接地；第三级运算放大器U1(C)的正向输入端与 传感器的参比电极相连，负向输入端与输出端相连。
所述电流/电压转换放大电路包括第四运算放大器U2，第五电阻和第二电容， 第四运算放大器U2的正向输入端连接参考电压，负向输入端与传感器的工作电 极相连，负向输入端又通过四五电阻与输出端相连，且第五电阻两端并联第二电 容，输出端连接采样电路。
所述滤波电路包括第五运算放大器、第六运算放大器和第六电阻R1、第七 电阻R2、第八电阻R3、第九电阻R4和第三电容C1、第四电容C2和第五电容 C3，其中第五运算放大器的负相输入端通过第三电容C1和第六电阻R1连接到 采样电路，正向输入端通过第七电阻R2连接到第三电容C1和第六电阻R1中间， 并通过第四电容C2连地，输出端与负向输入端相连，通过第八电阻R3连接到 采样电路，通过第八电阻R3和第五电容C3与采样电路相连；第六运算放大器 的正向输入端与采样电路相连，负向输入端与输出端相连，输出端通过第九电阻 R4与采样电路相连，构成3阶巴特沃兹低通滤波电路。
实施例
本实施例构建了一个16通道的手持式电化学仪，16个传感器检测接口采 用USB接口，采用AMS1117芯片的电源模块，采用DAC8571芯片的数模转换电 路，采用AD8609芯片的恒电位电路，采用LMP7721芯片的电流/电压转换电路， 电压放大电路，采用ADS1258芯片的AD采样电路，采用OPA2365芯片的滤波电 路，采用STM32的核心控制电路，采用G3524的数据传输模块。
16个传感器接口为USB母口，用以接入丝网印刷式三电极传感器(引脚1 为参比电极(RE)接口，引脚2、3为工作电极(WE)接口，引脚4为辅助电极 (AE)接口)，将三电极传感器对应插入接口。
电源模块采用DC接口的形式以12V输入电源，选用AMS1117-3.3V芯片将 12V转为5V电压为微控制器供电，用AMS117-5V芯片将12V转为5V电压，为 其他模块供电。
数模转换电路采用数模转换器DAC8571，控制输出所需电压波形到恒电位电 路，以控制三电极传感器上扫描波形。由I2C接口与主控芯片STM32相连，由主 控芯片控制，3、4引脚输出控制电压给恒电位电路AD8609的3号引脚。
恒电位电路采用运放AD8609保证三电极传感器的工作电极与参比电极之间 的电压恒定为控制电压。AD8609的3号引脚接收数模转换电路的控制电压，2 号引脚与1号引脚相连，号引脚与1号引脚通过10K电阻相连，7号引脚和6号 引脚通过4.7uf电容相连，9号引脚和6号引脚通过10K电阻相连，9号引脚与8 号引脚直接相连，10号引脚与参比电极(RE)相连，即与USB接口的1号引脚 相连，7号引脚与辅助电极AE接口(即USB接口的4引脚)相连通过10Ω电阻 相连，且辅助电极AE接口处通过20K电阻接地。
电流/压转换放大电路采用LMP7721芯片，将从传感器接收的微弱感应电流 转化为电压信号并放大传输给下一级。LMP7721的8号引脚与4号引脚通过1K 电阻相连，并且电阻并联上4.7uf的电容，8号引脚与工作电极WE(即)USB接 口的2、3引脚相连，4号引脚接入AD采样电路的通道处。
采样电路采用ADS1258芯片，对16个传感信号采集，经过数模转换后传给 微控制芯片。
滤波电路采用芯片OPA2365，采用3阶巴特沃兹滤波。OPA2365的2引脚通 过220nf电容和33K电阻顺序连入ADS1258的43引脚，OPA2365的3引脚通过 33K电阻连接到上述220nf电容和33k电阻中间，并通过100nf电容连地。1引 脚通过47Ω电阻连接到ADS1258的42引脚，2引脚与1引脚相连，6引脚与7 引脚相连，5引脚与ADS1258的44引脚相连，7引脚与ADS1258的41引脚通过47Ω电阻相连。ADS1258的41引脚与42引脚通过2.2nf电容相连。构成3阶巴 特沃兹低通滤波电路。
核心控制电路微控制器STM32F103RBT6进行数据处理。
数据传输模块采用插针式GRPS模块G3524进行数据传输，与STM32通过 USART相连，实现数据通过GPRS传输到云端。
本实施例设计一种适配体电化学生物传感器，用以检测孔雀石绿的浓度，包 括识别元件、丝网印刷电极和基板，所述识别元件包括2个单链DNA适配体， 一个为在3’端修饰了-SH-(CH2)6-的适配体1，一个为在5’端修饰了生物素的适 配体2，所述适配体1序列为3′-SH-(CH2)6-TGG AAG GAG GCG TTA TGA GGG GGT CCA CG-5′，所述适配体2序列为5’-bio-GCA CCT TCC TCC GCA ATA CTC CCC CAG GTG C-3’；所述丝网印刷电极包括工作电极、辅助电极和参比电极， 工作电极、辅助电极材料为碳，参比电极材料为为Ag/AgCl；所述基板为PVC 材料。
如图3所示，制备上述检测孔雀石绿的适配体电化学生物传感器时，先制 备材料：丝网印刷电极，3’端修饰-SH-(CH2)6-的适配体1，序列为 3′-SH-(CH2)6-TGG AAG GAG GCGTTATGAGGG GGT CCACG-5′，5’端修饰了 生物素的适配体2，序列为5’-bio-GCACCT TCC TCCGCAATACTC CCC CAG GTG C-3’，HAuCl4溶液，亲和素标记的辣根过氧化物(Av-HRP)，0.1M的PBS 缓冲液，然后根据下述步骤进行制备：
步骤1、丝网印刷电极预处理：将丝网印刷电极(SPE)用超纯水超声清洗1min， 清洗干净后吹干。
步骤2、在工作电极表面修饰纳米金：将印刷电极浸置在1mg/mL的HAuCl4 溶液中，使用商用电化学仪器进行时间电流法扫描，扫描电压为-0.2V，扫描时 间为100s，扫描结束后，工作电极表面形成纳米金结构。
步骤3、清洗丝网印刷电极：将丝网印刷电极用超纯水清洗3次，去除附着 溶液后吹干电极。
步骤4、在工作表面固定适配体1：在工作电极表面滴加3ul的1uM的Apt1， 在4℃下静置16h，待Apt1完全固定在工作电极表面；
步骤5、清洗丝网印刷电极：将丝网印刷电极用超纯水清洗3次，去除特异 性吸附后吹干电极。
步骤6、工作电极上滴加目标检测物：在工作电极表面滴加3ul待测浓度的 孔雀石绿，待孔雀石绿与适配体1特异性结合；
步骤7、在工作电极上固定适配体2：在工作电极上滴加3ul的1uM有生 物素标记的适配体2，静置1h，等待Apt1,MG,bio-Apt2形成三明治夹心结构。
步骤8、清洗丝网印刷电极：将丝网印刷电极用超纯水清洗3次，去除特异 性吸附后吹干电极。
步骤9、在工作电极上固定亲和素标记的辣根过氧化物酶：在工作电极上滴 加过量亲和素标记的辣根过氧化物酶，室温下静置20min，等待生物素与亲和素 结合，再将丝网印刷电极清洗干净后吹干。
步骤10、清洗丝网印刷电极：将丝网印刷电极用超纯水清洗3次，去除特 异性吸附后吹干电极。
该电化学生物传感器利用电极表面修饰技术，在电极表面修饰纳米金，再 通过化学作用将核酸适配体1接在纳米金上，通过适配体与目标物的特异性结合 作用将目标物结合到电极表面，然后再接上生物素标记的的核酸适配体2，最 后通过亲和素与生物素的结合作用接上有生物素标记的辣根过氧化物酶，构成三 明治夹心结构的生物传感器。当检测的溶液中含有目标物时，就能在电极表面固 定一定量的目标物和相应的核酸适配体2，构成传感结构。由于适配体2上通 过亲和素-生物素的结合修饰了辣根过氧化物酶(HRP)，能催化过氧化氢的分 解，从而产生电化学信号的变化，利用电化学信号的变化即可实现对孔雀石绿 (MG)的检测。
为了理解检测方案，分别进行不同浓度样本的循环伏安法扫描和时间电流 法扫描。图2为对无样本循环伏安法扫描图(实线)和对1mg/L样本循环伏安 法扫描图(虚线)，可以看出，当扫描电压约为0.25V时，发现1mg/L的样本电 流峰值有显著提高，表明Av-HRP已经成功修饰在工作电极表面。因此可以将循 环伏安法扫描的电流峰值作为定性判断的指标。
图3为不同浓度样本(1mg/L，100μg/L，10μg/L，1μg/L和0μg/L)时间电 流法扫描曲线，将不同浓度的孔雀石绿置于PBS缓冲液中分别制备1mg/L， 100μg/L，10μg/L，1μg/L和0μg/L的溶液，置于电化学检测仪中测试，进行安培 法测量，分别读取电流稳定后100s的电流值，进行拟合，如图4所示，得到y＝2.736x+2.338(R2＝0.992)的回归方程，其中y为样本以μg/L为单位的浓度的对 数值下的以μA为单位的安培信号量。从检测安培电流量与样本浓度对数值的关 系曲线可以发现从1μg/L到1mg/L范围内，安培法测量信号与样本浓度的对数相 关，跨越了一个至少3个数量级的响应区域。因此可以将此模型和时间电流法 扫描稳定后的电流值作为定量分析的依据。
综上所述，基于适配体电化学生物传感器的孔雀石绿检测方法，包括如下 步骤：
步骤1、待测样本的循环伏安法扫描：将电化学检测仪三个接头分别与待测 样本的适配体电化学生物传感器的丝网印刷电极的三个电极相连，将丝网印刷电 极放入H2O2与TMB的混合溶液中，进行循环伏安法扫描，起始电位0V，最高 电位0.7V，终止电位0V，扫描速度0.1V，扫描一周得到循环伏安曲线，与无样 本循环伏安法扫描的循环伏安曲线对比定性分析检测物，若样本电流峰值提高， 则判定有孔雀石绿进一步检测浓度；
步骤2、待测样本的时间电流法扫描：将待测样本的适配体电化学生物传感 器的丝网印刷电极放入H2O2与TMB的混合溶液中，进行时间电流法扫描，扫 描电位0.1V，扫描时间100s，得到时间电流曲线定量分析检测物浓度：
y＝2.736x+2.338
式种，y为待测样本的浓度的对数值，x为电流稳定后的安培信号量。

Claims (6)

1.多通道手持式电化学仪，其特征在于，包括多个传感器检测接口、电源模块、数模转换电路、恒电位电路、电流/电压转换放大电路、采样电路、滤波电路、微控制器和数据传输模块，其中传感器检测接口用于安装三电极传感器，所述微控制器经数模转换电路和恒电位电路连接传感器，所述传感器经电流/电压转换放大电路、滤波电路和采样电路连接微控制器，所述控制电路还与数据传输模块连接；所述微控制器产生扫描电压，经过数模转换和恒定控制后驱动传感器工作；所述传感器同时产生多路电流，经电流/电压转化、放大、滤波和采样后传输给控制电路计算传感器检测浓度值，所述数据传输模块将计算的浓度值传输给云端。
2.根据权利要求1所述的多通道手持式电化学仪，其特征在于，所述传感器接口为USB母口。
3.根据权利要求1所述的多通道手持式电化学仪，其特征在于，所述电源模块提供3.3V电压和5V电压，3.3V电压用于为微控制器供电，5V电压用于为传感器检测接口、数模转换电路、恒电位电路、电流/电压转换放大电路、采样电路、滤波电路和数据传输模块供电。
4.根据权利要求1所述的多通道手持式电化学仪，其特征在于，所述恒电位电路包括第一级运算放大器、第二级运算放大器、第三级运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和电容，其中第一级运算放大器的正向输入端接收来自数模转换电路的控制电位，负向输入端与输出端相连，并且通过第一电阻与第二级运算放大器的负向输入端相连；第二级运算放大器的正向输入端连入参考电压，负向输入端一方面通过第二电阻与第三级运算放大器的输出端相连，另一方面通过电容与第二级运算放大器的输出端相连，输出端通过第三电阻与传感器的辅助电极相连，同时第三电阻通过第四电阻接地；第三级运算放大器的正向输入端与传感器的参比电极相连，负向输入端与输出端相连。
5.根据权利要求1所述的多通道手持式电化学仪，其特征在于，所述电流/电压转换放大电路包括第四运算放大器，第五电阻和第二电容，第四运算放大器的正向输入端连接参考电压，负向输入端与传感器的工作电极相连，负向输入端又通过四五电阻与输出端相连，且第五电阻两端并联第二电容，输出端连接采样电路。
6.根据权利要求1所述的多通道手持式电化学仪，其特征在于，所述滤波电路包括第五运算放大器、第六运算放大器和第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第三电容、第四电容和第五电容，其中第五运算放大器的负相输入端通过第三电容和第六电阻连接到采样电路，正向输入端通过第七电阻连接到第三电容和第六电阻中间，并通过第四电容连地，输出端与负向输入端相连，通过第八电阻连接到采样电路，通过第八电阻和第五电容与采样电路相连；第六运算放大器的正向输入端与采样电路相连，负向输入端与输出端相连，输出端通过第九电阻与采样电路相连，构成3阶巴特沃兹低通滤波电路。
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